Bioinformatika

Sejarah Bioinformatika

Penetrasi Teknologi Informasi (TI) dalam berbagai disiplin ilmu telah melipatgandakan perkembangan ilmu bersangkutan. Berbagai kajian baru bermunculan, sejalan dengan perkembangan TI itu sendiri dan disiplin ilmu yang didukungnya. Aplikasi TI dalam bidang biologi molekul telah melahirkan bidang Bioinformatika. Kajian ini semakin penting, sebab perkembangannya telah mendorong kemajuan bioteknologi di satu sisi, dan pada sisi lain memberi efek domino pada bidang kedokteran, farmasi, lingkungan dan lainnya.

Kajian baru Bioinformatika ini tak lepas dari perkembangan biologi molekul modern yang ditandai dengan kemampuan manusia untuk memahami genom, yaitu cetak biru informasi genetik yang menentukan sifat setiap makhluk hidup yang disandi dalam bentuk pita molekul DNA (asam deoksiribonukleat). Kemampuan untuk memahami dan memanipulasi kode genetik DNA ini sangat didukung oleh TI melalui perangkat-perangkat keras maupun lunak. Hal ini bisa dilihat pada upayaCelera Genomics, perusahaan bioteknologi Amerika Serikat yang melakukan pembacaan sekuen genom manusia yang secara maksimal memanfaatkan TI sehingga bisa melakukan pekerjaannya dalam waktu yang singkat (hanya beberapa tahun), dibanding usaha konsorsium lembaga riset publik AS, Eropa, dan lain-lain, yang memakan waktu lebih dari 10 tahun.

Kelahiran Bioinformatika modern tak lepas dari perkembangan bioteknologi di era tahun 70-an, dimana seorang ilmuwan AS melakukan inovasi dalam mengembangkan teknologi DNA rekombinan. Berkat penemuan ini lahirlah perusahaan bioteknologi pertama di dunia, yaitu Genentech di AS, yang kemudian memproduksi protein hormone insulin dalam bakteri, yang dibutuhkan penderita diabetes. Selama ini insulin hanya bisa didapatkan dalam jumlah sangat terbatas dari organ pankreas sapi.

Bioteknologi modern ditandai dengan kemampuan pada manipulasi DNA.

Rantai/sekuen DNA yang mengkode protein disebut gen. Gen ditranskripsikan menjadi mRNA, kemudian mRNA ditranslasikan menjadi protein. Protein sebagai produk akhir bertugas menunjang seluruh proses kehidupan, antara lain sebagai katalis reaksi biokimia dalam tubuh (disebut enzim), berperan serta dalam sistem pertahanan tubuh melawan virus, parasit dan lain-lain (disebut antibodi), menyusun struktur tubuh dari ujung kaki (otot terbentuk dari protein actin, myosin, dan sebagainya) sampai ujung rambut (rambut tersusun dari protein keratin), dan lain-lain. Arus informasi, DNA, RNA, Protein, inilah yang disebut sentral dogma dalam biologi molekul.

Sekuen DNA satu organisme, yaitu pada sejenis virus yang memiliki kurang lebih 5.000 nukleotida/molekul DNA atau sekitar 11 gen, berhasil dibaca secara menyeluruh pada tahun 1977. Sekuen seluruh DNA manusia terdiri dari 3 milyar nukleotida yang menyusun 100.000 gen dapat dipetakan dalam waktu 3 tahun. Saat ini terdapat milyaran data nukleotida yang tersimpan dalam database DNA, GenBank di AS yang didirikan tahun 1982. Di Indonesia, ada Lembaga Biologi Molekul Eijkman yang terletak di Jakarta. Di sini kita bisa membaca sekuen sekitar 500 nukleotida hanya dengan membayar $15. Trend yang sama juga nampak pada database lain seperti database sekuen asam amino penyusun protein, database struktur 3D protein, dan sebagainya. Inovasi teknologi DNA chip yang dipelopori oleh perusahaan bioteknologi AS, Affymetrix di Silicon Valley telah mendorong munculnya database baru mengenai RNA.

Desakan kebutuhan untuk mengumpulkan, menyimpan dan menganalisa data-data biologis dari database DNA, RNA maupun protein inilah yang semakin memacu perkembangan kajian Bioinformatika.

Pengertian Bioinformatika

Bioinformatika adalah kombinasi dari biologi dan teknologi informasi. Disiplin ilmu ini meliputi berbagai perkakas sistem komputasi dan metoda yang digunakan untuk mengatur, meneliti dan menggerakkan besar satuan data biologi. Secara esensial, bioinformatika mempunyai tiga komponen:

1.    Penciptaan database yang memungkinkan penyimpanan dan manajemen pengaturan data biologi yang besar.

2.    Pengembangan algoritma dan statistik untuk menentukan hubungan diantara sejumlah data set yang besar.

3.    Penggunaan dari perkakas untuk analisa dan penafsiran dari berbagai jenis data biologi, mencakup DNA, RNA dan urutan protein, struktur protein, profil ekspresi gen, dan jalur biokimia.

Istilah bioinformatika pertama kali digunakan pada tahun 1990an dan pada mulanya diartikan sebagai manajemen dan analisis DNA, RNA dan data sekuensing protein. Perkakas komputasi untuk analisis sekuensing telah tersedia sejak tahun 1960an, tetapi hal ini mempunyai kepentingan yang sempit sampai kemajuan dalam teknologi sekuensing yang mendorong ke arah suatu perkembangan yang cepat dalam jumlah sekuens yang tersimpan di database seperti GenBank. Saat ini, istilah Bioinformatika telah meluas untuk menyertakan tipe data biologi yang berbeda, sebagai contoh struktur protein, profil ekspresi gen dan interaksi protein. Masing-masing dari tipe data tersebut memerlukan pengaturan database, algoritma dan metode statistik sendiri-sendiri.

            Bioinformatika didefinisikan secara luas, walaupun tidak eksklusif adalah suatu disiplin yang berbasis komputer. Komputer penting dalam bioinformatika untuk dua pertimbangan; pertama, banyak permasalahan dalam bioinformatika memerlukan tugas yang sama untuk diulang beribu-ribu kali. Sebagai contoh, membandingkan sekuens baru terhadap setiap sekuens yang tersimpan didalam database atau membandingkan kelompok sekuens secara sistematik untuk menentukan hubungan yang evolusioner. Pada beberapa kasus, kemampuan komputer untuk memproses informasi  dan solusi alternarif tes adalah sangat dibutuhkan. Kedua, komputer diperlukan sebagai tenaga untuk pemecahan masalah. Permasalahan yang khas dapat ditujukan menggunakan bioinformatika bisa meliputi penyelesaian jalur lipatan protein yang yang diberikan oleh sekuens asam aminonya, atau menyimpulkan jalur biokimia yang diberikan oleh koleksi ekspresi profil RNA. Komputer dapat membantu beberapa masalah, tapi hal ini penting untuk dicatat bahwa keahlian input dan data asli yang sempurna juga diperlukan.

Alasan Bioinformatika menjadi Trend pada Zaman Saat Ini

Bioteknologi modern ditandai dengan kemampuan manusia untuk memanipulasi kode genetik DNA, “cetak biru kehidupan”. Berbagai aplikasinya telah merambah sektor kedokteran, pangan, lingkungan, dsb.

Kemajuan ilmu Bioinformatika ini dimulai dari genome project yang dilaksanakan di seluruh dunia dan menghasilkan tumpukan informasi gen dari berbagai makhluk hidup, mulai dari makhluk hidup tingkat rendah sampai makhluk hidup tingkat tinggi. Pada tahun 2001 pembacaan sekuen genom manusia yang dilakukan oleh perusahaan bioteknologi Amerika Serikat (AS) Celera Genomics menjadi lebih cepat dan lebih akurat dibanding usaha konsorsium lembaga riset publik AS, Eropa, dll berkat kontribusi TI melalui perangkat komputasinya (perangkat keras maupun lunak). Aplikasi TI life sciences yang melahirkan bidang Bioinformatika dalam bidang biologi/akan menjadi semakin penting di masa depan, tidak hanya mengakselerasi kemajuan bioteknologi namun juga menjembatani dua gelombang ekonomi baru tersebut (TI & bioteknologi).

Nah, hasil pembacaan dari genome project ini adalah database genom-genom. Semua data-data yang dihasilkan dari genome project ini perlu di susun dan disimpan rapi sehingga bisa digunakan untuk berbagai keperluan, baik keperluan penelitian maupun keperluan di bidang medis. Dalam hal ini peranan Bioinformatika merupakan hal yang esensial.

Keberadaan database adalah syarat utama dalam analisa Bioinformatika. Database informasi dasar telah tersedia saat ini. Untuk database DNA yang utama adalah GenBank di AS (Gambar 2). Sementara itu bagi protein dan sekuen asam aminonya, databasenya dapat ditemukan di Swiss-Prot (Swiss) dan untuk struktur 3D-nya di Protein Data Bank (PDB; AS).

Dengan Bioinformatika, data-data ini bisa disimpan dengan teratur dalam waktu yang singkat dan tingkat akurasi yang tinggi serta sekaligus dianalisa dengan program-program yang dibuat untuk tujuan tertentu. Sebaliknya Bioinformatika juga mempercepat penyelesaian genome project ini karena Bioinformatika mensuplai program-program yang diperlukan untuk proses pembacaan genom ini.

Untuk mewadahinya beberapa jurnal baru bermunculan (misalnya Applied Bioinformatics), atau berubah nama seperti Computer Applications in the official journal Biosciences (CABIOS) menjadi BIOInformatic yang menjadi dari International Society for Computational Biology (ICSB).

Contoh Aplikasi dan Implikasi Bioinformartika

Terdapat sangat banyak penerapan bioinformatika, mulai dari manajemen data hingga penggunaannya pada dunia ke-biologi-an dan turunannya. Namun pada kali ini akan dibahas peranan bioinformatika pada dunia kedokteran dan virology sebagai berikut :

v Bioinformatika dalam Dunia Kedokteran

1.   Bioinformatika dalam bidang klinis

Perananan Bioinformatika dalam bidang klinis ini sering juga disebut sebagai informatika klinis (clinical informatics). Aplikasi dari clinical informatics ini adalah berbentuk manajemen data-data klinis dari pasien melalui Electrical Medical Record (EMR) yang dikembangkan oleh Clement J.

McDonald dari Indiana University School of Medicine pada tahun 1972 [5]. McDonald pertama kali mengaplikasikan EMR pada 33 orang pasien penyakit gula (diabetes). Sekarang EMR ini telah diaplikasikan pada berbagai penyakit. Data yang disimpan meliputi data analisa diagnosa laboratorium, hasil konsultasi dan saran, foto ronsen, ukuran detak jantung, dll. Dengan data ini dokter akan bisa menentukan obat yang sesuai dengan kondisi pasien tertentu. Lebih jauh lagi, dengan dibacanya genom manusia, akan memungkinkan untuk mengetahui penyakit genetik seseorang, sehingga personal care terhadap pasien menjadi lebih akurat.

Sampai saat ini telah diketahui beberapa gen yang berperan dalam penyakit tertentu beserta posisinya pada kromosom. Informasi ini tersedia dan bisa dilihat di home page National Center for Biotechnology Information (NCBI) pada seksi Online Mendelian in Man (OMIM) (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=OMIM). OMIM adalah search tool untuk gen manusia dan penyakit genetika. Selain berisikan informasi tentang lokasi gen suatu penyakit, OMIM ini juga menyediakan informasi tentang gejala dan penanganan penyakit tersebut beserta sifat genetikanya. Dengan demikian, dokter yang menemukan pasien yang membawa penyakit genetika tertentu bisa mempelajarinya secara detil dengan mengakses home page OMIM ini.

Sebagai salah satu contoh, jika kita ingin melihat tentang kanker payudara, kita tinggal masukan kata-kata “breast cancer” dan setelah searching akan keluar berbagai jenis kanker payudara. Kalau kita ingin mengetahui lebih detil tetang salah satu diantaranya, kita tinggal klik dan akan mendapatkan informasi detil mengenai hal tersebut beserta posisi gen penyebabnya di dalam koromosom. Gambar 3 adalah salah satu hasil searching dari breast cancer.

2.  Bioinformatika untuk penemuan obat

Usaha penemuan obat biasanya dilakukan dengan penemuan zat/senyawa yang bisa menekan perkembangbiakan suatu agent penyebab penyakit. Karena banyak faktor yang bisa mempengaruhi perkembangbiakan agent tersebut, faktor-faktor itulah yang dijadikan target. Diantara faktor tersebut adalah enzim-enzim yang diperlukan untuk perkembangbiakan suatu agent. Langkah pertama yang dilakukan adalah analisa struktur dan fungsi enzim-enzim tersebut. Kemudian mencari atau mensintesa zat/senyawa yang bisa menekan fungsi dari enzim-enzim tersebut.

Penemuan obat yang efektif adalah penemuan senyawa yang berinteraksi dengan asam amino yang berperan untuk aktivitas (active site) dan untuk kestabilan enzim tersebut.

Karena itu analisa struktur dan fungsi enzim ini biasanya difokuskan pada analisa asam amino yang berperan untuk aktivitas (active site) dan untuk kestabilan enzim tersebut. Analisa ini dilakukan dengan cara mengganti asam amino tertentu dan menguji efeknya. Sebelum perkembangan bioinformatika, analisa penggantian asam amino ini dilakukan secara random sehingga memakan waktu yang lama. Dengan adanya Bioinformatika, data-data protein yang sudah dianalisa bebas diakses oleh siapapun, baik data sekuen asam amino-nya seperti yang ada di SWISS-PROT (http://www.ebi.ac.uk/swissprot/) maupun struktur 3D-nya yang tersedia di Protein Data Bank (PDB) (http://www.rcsb.org/pdb/). Dengan database yang tersedia ini, enzim yang baru ditemukan bisa dibandingkan sekuen asam amino-nya, sehingga bisa diperkirakan asam amino yang berperan untuk active site dan kestabilan enzim tersebut. Hasil perkiraan kemudian diuji di laboratorium. Dengan demikian, akan lebih menghemat waktu dari pada analisa secara random.

Walaupun dengan sarana Bioinformatika bisa diperkirakan senyawa yang berinteraksi dan menekan fungsi suatu enzim, hasilnya harus dikonfirmasi melalui eksperiment di laboratorium. Namun dengan Bioinformatika, semua proses ini bisa dilakukan lebih cepat sehingga lebih efesien baik dari segi waktu maupun finansial.

v Bioinformatika dalam Virologi

Sebelum kemajuan bioinformatika, untuk mengklasifikasikan virus kita harus melihat morfologinya terlebih dahulu. Untuk melihat morfologi virus dengan akurat, biasanya digunakan mikroskop elektron yang harganya sangat mahal sehingga tidak bisa dimiliki oleh semua laboratorium. Selain itu, kita harus bisa mengisolasi dan mendapatkan virus itu sendiri.

Isolasi virus adalah suatu pekerjaan yang tidak mudah. Banyak virus yang tidak bisa dikulturkan, apalagi diisolasi. Virus hepatitis C (HCV), misalnya, sampai saat ini belum ada yang bisa mengkulturkannya, sehingga belum ada yang tahu bentuk morfologi virus ini. Begitu juga virus hepatitis E (HEV) dan kelompok virus yang termasuk ke dalam family Calliciviridae, dimana sampai saat ini belum ditemukan sistem pengkulturannya.

Walaupun untuk beberapa virus bisa dikulturkan, tidak semuanya bisa diisolasi dengan mudah. Oleh karena itu, sebelum perkembangan bioinformatika, kita tidak bisa mengidentifikasi dan mengklasifikasikan virus-virus semacam ini.

Dengan kemajuan teknik isolasi DNA/RNA, teknik sekuensing dan ditunjang dengan kemajuan bioinformatika, masalah diatas bisa teratasi. Untuk mengidentifikasi dan mengklasifikasikan virus, isolasi virus tidak lagi menjadi suatu hal yang mutlak. Kita cukup dengan hanya melakukan sekuensing terhadap gen-nya. Ini adalah salah satu hasil kemajuan bioinformatika yang nyata dalam bidang virologi.

Dapat disimpulkan bahwa Bioinformatika merupakan teknologi yang berhubungan antara teknologi informasi dan data-data biologi. Bioinformatika telah mendorong kemajuan ilmu-ilmu yang memanfaatkannya untuk kepentingan yang beraneka ragam, seperti telah dikembangkan aplikasi analisa gen virus.

Sumber :
Blog Adhie T. Wahyudi

http://komputasi.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1247362701
http://suryokuncorojakti-fkh.web.unair.ac.id/artikel_detail-38847-Biomolekuler%20dan%20Imunologi-Bioinformatika.html
http://suryokuncorojakti-fkh.web.unair.ac.id/artikel_detail-38848-Biomolekuler%20dan%20Imunologi-Sejarah%20Bioinformatika.html